空压机进气口消声器动态优化设计
【摘要】空压机作为一种通用机械，广泛应用于国民经济的各个部门。但它在工作时产生的噪声严重的影响了人们的工作生活，是环境污染的主要来源之一。如何经济有效地降低空压机的噪声，本文提出了使用优化理论及先进算法对现有进气口消声器进行优化设计，以解决该空压机噪声超标的实际问题。
【关键词】空压机；消声器；优化设计；算法
1.空压机噪声分析
空压机作为常用空气压缩设备被广泛用于工业生产的各个领域。空压机是一种将气体压缩，使其压力提高到两个大气压以上，然后输往贮气容器或其他设备中的机械设备，属通用设备。空压机是一个综合性噪声源，它在压缩过程中产生的噪声主要是来源于: 进气、排气口气动噪声，机械噪声和电磁噪声。进气噪声，空压机在工作过程中，气缸进气阀交替地启开、关闭，空气被间歇地吸入气缸，以脉动变化的形式形成的声波从进气口辐射出来。机械噪声，空压机在运转中，进气阀门开启关闭产生的声音、曲柄连杆系统中的冲击声和活塞往复运动时与气缸壁的摩擦振动声、活塞压缩空气时的撞击声和振动波，这些形成了机械噪声。电动机噪声、排气及储气包噪声，电动机噪声主要有冷却风扇噪声和轴承转动时的机械噪声;空压机气缸内被压缩的气体随着排气阀的开启、关闭间断地排进储气包，经过排气阀和管道时产生响声形成排气噪声。进入储气包的压缩空气与包内空气混合激发产生共振，并通过气包及连接的管道辐射出来形成噪声。
2.空压机现有消声措施分析
在空压机噪声治理上，不同的噪声源有不同的治理方法; 同一类噪声源，根据所处的地域、场所和标准要求的不同，采取的方案也不同。国外，日本、美国等大多将整台空压机采用隔声罩加消声器的措施。
空压机的降噪都是从空压机本身结构上来降低噪声。对于大多数往复式空压机，从当前的技术水平来看，仅采取主动降噪几乎不能达到人们所希望的效果，这是由其工作原理所决定的。由于噪声的机理主要是压力脉动所致，为空气动力性噪声，一般比机械噪声、电磁噪声高20dB。所以对往复式空压机，一般采取被动消声，就是通过吸声、消声、隔声、减振来实现。其中对空压机动力性噪声采用安装消声器是比较有效的。
消声器是一种阻止声传播而允许气流通过的降噪装置，是控制气流噪声的主要技术措施。在消声器发展过程中，首先出现的是无源消声器，即:阻性消声器、抗性消声器及阻抗复合式消声器。随着技术的不断成熟，无源消声器取得了较好的消声效果。特别是在排放法规和噪声法规日益严格。
为了改善我国大部分噪声排放尚达不到要求，噪声也比国外同类机型高的状况，国内研制开发了多种消声器，已取得了良好的降噪效果。近年来，随着现代数字信号处理技术的发展以及电子控制装置的性能成本比的提高，国际上又提出了有源消声器的概念。
3.空压机进气口消声器的优化设计
消声器的优化设计是一个多变量、多约束、多目标的复杂优化过程。在优化过程中，而要不断评选方案和选择优化参数。基于以上两点，优化设计的计算过程将是一个计算量庞人和复杂的过程。计算机辅助设计是解决这一问题的最佳途径。消声器的优化设计需要综合考虑声学性能、空气动力性能和结构性能，最终要给出消声器某种结构的最优儿何参数。利用计算机解决这些问题，必然要求我们建立适当的数学模型，给出定的约束条件，再对问题进行求解，从而给出最终结果。
消声器的结构形式多样、优化参数繁多，消声器的基本结构型式必须在优化设计前给定，确定其结构型式可用原有或相近的消声器为参考，再根据所提出的具体要求做适当的修改。我们可以选定多种结构型式，将每一种结构型式的消声器作为一个方案，通过计算来决定这种方案的可行性。每一种消声器都可以有很多种结构参数，我们不可能对所有的参数进行优化，我们只能根据实际问题，将一些对消声器性能影响较为明显的结构参数选为优化变量，根据消声器结构尺寸的要求，限定这些参数的范围，通过计算，最终选出最优的参数。
3.1 空压机进气口消声器优化设计的目标函数
消声器优化目标函数的选取需要对消声器性能评价的两个方面进行综合考虑，有较大消声量的消声器必然要求消声器腔数多，扩张比大，长度大，结构复杂。这必然会加大消声器的阻力损失，同时也会使其结构性能变差。所以，消声器的设计必然要同时兼顾这两个方面。总的来说，一个性能良好的消声器，在进气噪声的整个频率范围内，应该具有足够的消声量，阻力损失小，耐高温、耐腐蚀、消声器外形尺寸与整机相协调、结构简单、工艺性好、成本低。
（1）消声量最大：
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（2）压力损失最小：
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3.2 优化设计的初始条件
制定新消声器消声频率特性初始条件根据现有消声器就消声频率特性的要求，拟将设计消声器的消声频率特性定义为三段:低频消声峰值频率(<5OOHz)，中低频消声峰值频率(5OOHz-2000Hz)，中高频消声峰值频率(>2000Hz)。
3.2.1 低频消声峰值频率(<5OOHz)由带穿孔管的共振型消声器子结构提供:为满足消声量的要求，设主管道直径30-60mm，旁接共振频率5OOHz 的共振器如果要求在200-5OOHz 的频率分为内消声量至少在5dB以上，估计该共振器的容积。
3.2.2 中低频消声峰值频率(SOOHz- 2000Hz ) 由内插式双级扩张消声器子结构提供:如图(1)所示选取内插式双级扩张消声器的基本参数，由消声量及消声频率特性得出选取的参数的初始范围为:
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（1）内插式双级扩张消声器的结构参数图
3.2.3 中高频消声峰值频率(>2000Hz). 由阻性吸声消声器子结构提供: 为满足中频频段的消声性能，拟采用阻性吸声消声子结构消除2000Hz-4000Hz 的中高频噪声。根据实际情况，该设计消声子结构应具有每米40 分贝的消声量。在设该种消声器时，需首先考虑两个方面的限制。一方面是频率方面的限制，能有效消声的频率范围大致与有效吸声范围相协调。共振吸声结构很难完成高频良好吸声性能，故不宜采用。多孔吸声材料层在中高频范围内有良好吸声性能，宜优先采用。而且吸声材料层的吸声性能由于材料厚度的增加可以向低频方向扩展。当吸声材料层厚度加倍时，有效吸声范围约略向低频方向移过一个倍频程。这样不仅可以有效地减小中高频段的噪声，也可以弥补中频频段不足的吸声性能。另一方面的限制来自几何尺寸，山于同心圆型消声器，当长度一定时，使它有较高的消声量就应选择较小的通道宽度。但山于吸声结构占据了给定的截面积，因此通道宽度越小，通道有效截面在总结面所占比例也就越小。如果通道截面面积保持一定，那么消声器总截面就越大，这不能不受到客观条件的限制。
（2）制定新消声器压力损失初始条件
在满足消声量的前提下，压力损失越小越好。取压力损失的初始条件为不大于当前已有消声器压力损失的5%为宜。
3.3 空压机进气口消声器优化设计的步骤
将空压机进气口消声器优化设计步骤归纳如下:
3.3.1 根据实际条件限定消声器形式及消声量、压力损失、频率消声特性为目标函数；2、选定消声器系统主管道的参数，给定气体温度、声速及其他参数；3、根据消声器容积比与气流量，确定消声器容积；4、选择一系列消声结构；5、对一种消声结构，选择一系列几何参数；6、对一组给定几何参数，进行消声器消声性能计算；7、对该组数据进行消声器压力损失计算；8、取另一组数据，重复60-70 行程序；9、对于给定消声器结构，优选最佳的一组几何参数；10、对于另一种消声器结构，重复50-90 行程序；11、优选出最佳的一种消声器结构及相应的最佳几何参数。
4. 用多目标遗传算法优化空压机进气口消声器
使用通用数学计算软件matlab 与英国设菲尔德大学开发的遗传工具箱进行编程，实现多目标遗传算法优化空压机进气口消声器。在程序中设置了多目标遗传算法的基本参数。各目标函数有相应的四端极子确定。下面以内插式双级扩张消声器子结构为例，使用该程序对其进行结构优化。选取种群中个体数量: NIND=100；选取最大遗传代数: MAXGEN= 50；选取变异率: INP=0.05；采用实值编码进行优化，其中典型参数的优化曲线如图（2）所示。
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从上图可以看出消声器由原来单内插扩张式结构经优化后变为双内插式扩张结构，这样做不但可以将有效降噪频段拉大，而其可以有效地降低脉动噪声，将原有消声器单共振腔优化为双共振腔，这样做不仅增加一个频带的吸声峰值，而且可以在各相邻频带上加大消声量，通过对主管道参数的优化，可以有效的降低压力损失:优化结构参数将降低消声器的制造成本。
5.结束语
目前，社会对低噪声产品的要求越来越高。无论是机电产品还是家用电器，噪声的高低已经成为人们对产品质量好坏的评价标准之一。所以，在不久的将来，会有越来越多的低噪声产品问世以满足人们的要求。对于高噪声的产品，由于自身的某些原因，在生产过程中不能使噪声降到人们所能承受的范围，那么仍然需要设计各种各样的消声器来进行消声降噪。在设计的方法中仍然会运用优化设计方法。这是因为优化方法在机械设计中相对而言是比较简便和准确的，而且可以满足多种要求。
6.参考文献
[1]孙国正过玉卿优化设计及应用，人民教育出版社，2000
[2]钟绍华等，消声器优化设计及其性能分析方法的研究，内燃机工程,2005
[3]马宝丽等，消声器的动态优化设计，噪声与振动控制，2004
[4]周兆驹室外大型空气压缩机的噪声治理技术，环境污染治理技术与设备，2005
（作者单位：湖南普照信息材料有限公司）
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